指令系统和指令集结构设计165页PPT
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《指令系统》课件
随着应用需求的多样化，指令系统的多样性也在不断发展 。
不同的指令系统针对不同的应用领域进行优化，以满足各 种复杂的应用需求。
例如，针对高性能计算领域的处理器，其指令系统会更加 注重浮点运算和并行处理；针对嵌入式领域的处理器，其 指令系统会更加注重低功耗和实时性。
指令系统与其他技术的融合
随着技术的发展，指令系统与其他技术 的融合成为一种趋势。
为了减少访问主存的延迟，指 令系统使用缓存来存储经常访 问的数据和指令。通过缓存管 理技术，系统可以更快地访问 这些数据和指令。
为了降低能耗和提高能源效率 ，指令系统采用了一系列节能 技术，如动态电压调节、动态 频率调节、休眠模式等。
为了提高系统的安全性，指令 系统可以提供加密和解密功能 ，保护数据的机密性和完整性 。此外，还可以通过权限控制 和访问控制机制来限制对敏感 资源的访问。
03 指令系统的实现方式
汇编语言实现指令系统
汇编语言概述
汇编语言是一种低级语言，与机器语言有很高的相似度。 它使用助记符表示指令，易于理解和编写。
汇编指令系统
汇编语言中的指令系统通常与特定的处理器架构相关联， 包括算术、逻辑、控制和输入/输出指令。
汇编程序
汇编程序是一种将汇编语言代码转换为机器语言的编译器 。它逐条将汇编指令翻译为对应的机器码，并生成可执行 文件。
例如，与人工智能技术的融合，使得处 理器能够更好地支持人工智能算法和应 用；与网络技术的融合，使得处理器能 够更好地支持云计算和边缘计算等应用
。
通过与其他技术的融合，指令系统的功 能和应用领域得到了进一步拓展，同时
也促进了相关技术的发展和创新。
谢的任务， 确保各个任务按照预定的顺序或优先级执行 。
D
不同的指令系统针对不同的应用领域进行优化，以满足各 种复杂的应用需求。
例如，针对高性能计算领域的处理器，其指令系统会更加 注重浮点运算和并行处理；针对嵌入式领域的处理器，其 指令系统会更加注重低功耗和实时性。
指令系统与其他技术的融合
随着技术的发展，指令系统与其他技术 的融合成为一种趋势。
为了减少访问主存的延迟，指 令系统使用缓存来存储经常访 问的数据和指令。通过缓存管 理技术，系统可以更快地访问 这些数据和指令。
为了降低能耗和提高能源效率 ，指令系统采用了一系列节能 技术，如动态电压调节、动态 频率调节、休眠模式等。
为了提高系统的安全性，指令 系统可以提供加密和解密功能 ，保护数据的机密性和完整性 。此外，还可以通过权限控制 和访问控制机制来限制对敏感 资源的访问。
03 指令系统的实现方式
汇编语言实现指令系统
汇编语言概述
汇编语言是一种低级语言，与机器语言有很高的相似度。 它使用助记符表示指令，易于理解和编写。
汇编指令系统
汇编语言中的指令系统通常与特定的处理器架构相关联， 包括算术、逻辑、控制和输入/输出指令。
汇编程序
汇编程序是一种将汇编语言代码转换为机器语言的编译器 。它逐条将汇编指令翻译为对应的机器码，并生成可执行 文件。
例如，与人工智能技术的融合，使得处 理器能够更好地支持人工智能算法和应 用；与网络技术的融合，使得处理器能 够更好地支持云计算和边缘计算等应用
。
通过与其他技术的融合，指令系统的功 能和应用领域得到了进一步拓展，同时
也促进了相关技术的发展和创新。
谢的任务， 确保各个任务按照预定的顺序或优先级执行 。
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第三章----指令系统PPT课件
2021/6/4
7
例如： 计算 a=b+c+d+e；
add a，b，c ＃ b + c的和存放在a中 add a，a，d ＃ b + c + d的和已存放在a中 add a，a，e ＃ b + c + d + e的和已存放在a中
2、减法指令 sub rd, rs, rt
#注释
例3.1 把两个C语言赋值语句编译成MIPS汇编指令
❖ 存储器中---存储器操作数 复杂数据结构，如数组、结构体等包含大量数据元素，不
可能映射到数量有限的寄存器上，只能存储到存储器中。
❖ 指令中---立即数
有些操作数直接与指令存放在一起，称为立即数，而
MIPS中专门设置有一些立即数指令，如addi，slti等。
2021/6/4
11
一、MIPS的寄存器
三、MIPS简介
1、处理器的缩写
① Million Instruction Per Second，泛指每秒能执行百万条指令的处理器
② Microprocessor without Interlocking Pipeline Stage， 一种无内锁的流水线微处理器
2、MIPS公司
2021/6/4
4
3.2 计算机硬件的操作指令
下面这段C语言代码包含5个变量a, b, c, d, e：
a = b + c;
d = a – e;
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8
【解答】 add a, b, c sub d, a, e
# a=b+c #d=a–e
例3.2 把一个复杂的C语言赋值语句编译成MIPS汇 编指令
f = (g + h) – (i + j);
指令系统 教学课件.ppt
r0
r8
r1
r9
31
0
r2
r10
r3
r11
CPSR
r4
r12
r5
r13
r6
r14
NZCV
r7
r15 (PC)
Endianness
Relationship between bit and byte/word ordering defines endianness:
bit 31
bit 0 bit 0
first column). Instructions often start in later columns. Columns run to end of line.
ARM assembly language example
label1
ADR r4,c LDR r0,[r4] ; a comment ADR r4,d LDR r1,[r4] SUB r0,r0,r1 ; comment
by repeated addition?
Architecture & Organization 2
All Intel x86 family share the same basic architecture
The IBM System/370 family share the same basic architecture
bytes. ARM addresses can be 32 bits long. Address refers to byte.
Address 4 stபைடு நூலகம்rts at byte 4.
Can be configured at power-up as either little- or big-endian mode.
2 指令系统的设计PPT课件
偏移寻址
采Ad用d R多4 , 1种00(寻R1)址方Re式gs[R可4]←以Re显gs[R著4]＋地M减em[1少00+程Reg序s[R的1]]
寄存器间接寻址指令A条dd数R4，, (R但1) 可能R增egs加[R4计]←R算egs机[R4的]＋M实em现[Re复gs[R杂1]]度以
索引寻址
及指A令dd的R3C,P(IR。1 +
2
2
部分IBM360 指令
3
3
3
VAX
2. 两种主要的指令特性能够将通用寄存器指令 系统结构GPR）进一步细分（续）
(3) 通用寄存器指令集结构进一步细分为三种类型： 寄存器 --- 寄存器型（R-R:register-register) 寄存器 --- 存储器型（R-M:register-memory） 存储器 --- 存储器型（M-M:memory-memory）
Store C,R3
2.1.2 通用寄存器型指令系统结构的分类
1. 通用寄存器型指令系统结构的主要优点
(1)寄存器的访问速度比存储器快。 (2)编译器能更容易、有效地分配和使用寄存器。在表达 式求值方面，比其它类型指令集结构具有更大的灵活性。 (3)寄存器可以用来存放变量，带来许多好处。
◆ 减少存储器的通信量，加快程序的执行速度。 ◆ 可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可以
(4) 常见的三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 注：表中(m,n)的含义是，指令的n个操作数中 有m个存储器操作数。
指令集结构 类型
优点
缺点
寄存器－寄 存器型 （0,3）
简单，指令字长固定， 是一种简单的代码生 和指令中含有对存储器操作数访问 成模型，各种指令的 的结构相比，指令条数多，因而其 执行时钟周期数相近。目标代码较大。
第4章 指 令 系 统.ppt
N log m 2
指令操作码的编码可以分为固定长度的定长 编码和长度可变的变长编码两种。
（1）定长编码 操作码字段的长度和位置是固定的。
（2）变长编码 操作码字段位数是不相同的。
4.2.3 地址码
地址码一般用下列几种形式表示： （1）第一操作数地址，用A1表示； （2）第二操作数地址，用A2表示； （3）操作结果存放地址，用A3表示； （4）下一条将要执行的指令地址，用A4表示。
（4）对最后两个频率分别指定代码0和1； （5）若某一频率由两个频率相加而成，则 分别指定这两个频率的下一个代码为0或1； （6）继续过程（5），直到所有符号均已指 定不同代码为止。
采用Huffman编码法所得到的是操作码的平均长 度，计算方法为：
n
H pi li i 1
其中pi代表第i种操作码在程序中出现的概率，li 表示第i种操作码的二进制编码位数，n表示操作码
如果以上四项信息在指令中显式地给出，称为显 地址指令；如果这些信息采用事先的约定形式，没 有在指令中显式地给出，则称为隐地址指令。
根据指令中包含的地址码的段数，可以将指令进 行分类 ，下面介绍几种指令格式。
• （1）零地址指令 在指令各式中只有操作码字段，没有地址码字
段。其格式为：
OP
只有操作码字段的指令可能有两种情况，一种是 本身就没有操作码，称为无操作数指令，如停机指 令、空操作指令、等待指令等；另一种是操作数是 按照某种约定隐含的，例如堆栈操作类指令。
（1）用间接寻址方式缩短地址码长度。 （2）用变址寻址方式缩短地址码长度。 （3）用寄存器间址寻址方式缩短地址码长 度。
4.2.1 指令字长度
指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代 码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地 址的个数及长度。
指令操作码的编码可以分为固定长度的定长 编码和长度可变的变长编码两种。
（1）定长编码 操作码字段的长度和位置是固定的。
（2）变长编码 操作码字段位数是不相同的。
4.2.3 地址码
地址码一般用下列几种形式表示： （1）第一操作数地址，用A1表示； （2）第二操作数地址，用A2表示； （3）操作结果存放地址，用A3表示； （4）下一条将要执行的指令地址，用A4表示。
（4）对最后两个频率分别指定代码0和1； （5）若某一频率由两个频率相加而成，则 分别指定这两个频率的下一个代码为0或1； （6）继续过程（5），直到所有符号均已指 定不同代码为止。
采用Huffman编码法所得到的是操作码的平均长 度，计算方法为：
n
H pi li i 1
其中pi代表第i种操作码在程序中出现的概率，li 表示第i种操作码的二进制编码位数，n表示操作码
如果以上四项信息在指令中显式地给出，称为显 地址指令；如果这些信息采用事先的约定形式，没 有在指令中显式地给出，则称为隐地址指令。
根据指令中包含的地址码的段数，可以将指令进 行分类 ，下面介绍几种指令格式。
• （1）零地址指令 在指令各式中只有操作码字段，没有地址码字
段。其格式为：
OP
只有操作码字段的指令可能有两种情况，一种是 本身就没有操作码，称为无操作数指令，如停机指 令、空操作指令、等待指令等；另一种是操作数是 按照某种约定隐含的，例如堆栈操作类指令。
（1）用间接寻址方式缩短地址码长度。 （2）用变址寻址方式缩短地址码长度。 （3）用寄存器间址寻址方式缩短地址码长 度。
4.2.1 指令字长度
指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代 码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地 址的个数及长度。
第5章 指令系统PPT课件
到该地址字段中去，以能表示更多的指令。
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17.08.2020
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可变格式的指令操作码编码格式举例
如某机器的指令长度为16位，以4位为1个字段 ，分成4个字段，一个4位的操作码字段，3个4 位的地址码字段，其指令格式为：
用可变格式编码，要表示15条三地址指令，15 条二地址指令，15条一地址指令和16条零地址 指令，共表示61条指令，则可以如下安排：
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7
5.1.2 指令格式
⑵ 地址码：指出操作数的存储地址，CPU通过 这个地址取得操作数。根据地址码的不同，就 有不同的指令格式。 ⑶ 操作结果的存放地址 ⑷ 下一条要执行的指令的地址
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5.1.2 指令格式
⒉指令格式 根据地址码所给出的地址的个数（操作数的个 数），可以把指令格式分成零地址指令、一地 址指令、二地址指令、三地址指令和多地址指 令（或称几操作数指令）。 ⑴ 零地址指令 格式：
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5.1.4 指令操作码的编码格式
⒉可变格式 操作码的长度可变，且分散地放在指令字的
不同字段中。这种格式的优点是可压缩操作码 的平均长度，控制器的设计相对较为复杂，指 令的译码时间也较长。一般在字长较短的微小 型机上广为采用。
可变格式的指令操作码编码格式，通常是在指令字中
用一个固定长度的字段来表示基本操作码，而对于一 部分不需要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充
这类指令只有操作码而无操作数，通常也叫无
操作数指令。
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17.08.2020
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5.1.2 指令格式
⑵ 一地址指令 格式：
计算机体系结构chapter2指令系统1PPT课件
5
几个不能传送的解决办法：用AX作桥梁
存储器←存储器：
MOV AX，MEM1 MOV MEM2，AX
段寄存器←段寄存器：
MOV AX，DS MOV ES，AX
段寄存器←立即数：
MOV AX，DATA MOV DS，AX
6
应用举例：将1000H开始的100个存储单元 全部填充为ASCII码2AH(*)。
用途：用于有符号数的除法。 例如：(AL) = A7H，则执行CBW后，AH的内
18
(3)交换指令XCHG
格式：XCHG reg，mem/reg 功能：交换两操作数的内容。 要求：两操作数中必须有一个在寄存器中；
操作数不能为段寄存器和立即数； 源和目地操作数类型要一致。 举例： XCHG AX，BX
XCHG [2000]，CL
19
(5)字节-字转换指令
格式：CBW ;把AL的符号位复制到AH CWD ;把AX的符号位复制到DX
9
(2) 堆栈操作指令
什么是堆栈？ 按“后进先出(LIFO)”方式工作的存储区
域。堆栈以字为单位进行压入弹出操作。
为什么要设置堆栈？ 为什么要按 “后进先出”方式工作？ 参见下图
10
主程序
主程序
IP
IP(下)
继主 续程 执序 行
执行子 程序1
执
行 子
IP
程
IP(下)
序
IP’ IP’(下)
执 行 子 程 序
8086/8088指令系统
可分成如下6类： 数据传送指令 算术运算指令 逻辑运算和移位指令 串操作指令 程序控制指令 处理器控制指令
1
一 数据传送指令
可实现
存储器 寄存器 I/O
几个不能传送的解决办法：用AX作桥梁
存储器←存储器：
MOV AX，MEM1 MOV MEM2，AX
段寄存器←段寄存器：
MOV AX，DS MOV ES，AX
段寄存器←立即数：
MOV AX，DATA MOV DS，AX
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应用举例：将1000H开始的100个存储单元 全部填充为ASCII码2AH(*)。
用途：用于有符号数的除法。 例如：(AL) = A7H，则执行CBW后，AH的内
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(3)交换指令XCHG
格式：XCHG reg，mem/reg 功能：交换两操作数的内容。 要求：两操作数中必须有一个在寄存器中；
操作数不能为段寄存器和立即数； 源和目地操作数类型要一致。 举例： XCHG AX，BX
XCHG [2000]，CL
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(5)字节-字转换指令
格式：CBW ;把AL的符号位复制到AH CWD ;把AX的符号位复制到DX
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(2) 堆栈操作指令
什么是堆栈？ 按“后进先出(LIFO)”方式工作的存储区
域。堆栈以字为单位进行压入弹出操作。
为什么要设置堆栈？ 为什么要按 “后进先出”方式工作？ 参见下图
10
主程序
主程序
IP
IP(下)
继主 续程 执序 行
执行子 程序1
执
行 子
IP
程
IP(下)
序
IP’ IP’(下)
执 行 子 程 序
8086/8088指令系统
可分成如下6类： 数据传送指令 算术运算指令 逻辑运算和移位指令 串操作指令 程序控制指令 处理器控制指令
1
一 数据传送指令
可实现
存储器 寄存器 I/O